圖3 電流60A時波形圖
圖4 電流100A時波形圖
［摘要］：本文從控制原理，電路拓撲，技術(shù)特點，實驗分析等方面簡明扼要地闡述了直驅(qū)式風力發(fā)電并網(wǎng)變流器。此變流器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，電流總諧波（THD）小，動態(tài)響應快，呈電流源特性，易于多單元并聯(lián)。
［關(guān)鍵詞］：風力發(fā)電 直驅(qū)式變流器 電流總諧波
Abstract：The paper briefly introduces the inverter device for direct-drive wind power generation system in the aspect of controlled-theory , circuit structure , technical features , experiment analyzing etc. The inverter also has higher power factor in line side , lower THD , quickly dynamic response . It presents the character of current-source, and it is easy to be paralleled.
Key words：Wind power generation direct – drive inverter THD
0 引言
風力發(fā)電是目前最具有形成規(guī)模化和最具備商業(yè)化的可再生能源技術(shù)。而實際上風力發(fā)電在很大程度上取決于變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)成為兆瓦級以上風力發(fā)電機組的主流技術(shù)。所謂變速恒頻，就是通過調(diào)速控制，使風力發(fā)電機組風輪轉(zhuǎn)速能夠跟隨風速的變化，最大限度地提高風能的利用效率，有效降低載荷，同時風輪及其所驅(qū)動的電機轉(zhuǎn)速變化時，保證輸出的電能頻率始終與電網(wǎng)頻率一致。
變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)主要分為雙饋式和直驅(qū)式兩種類型。雙饋式由于其變流器串聯(lián)在雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組中，其容量只有系統(tǒng)總功率的1/3—1/4，有效地降低了系統(tǒng)成本；與雙饋式相比，直驅(qū)式采用低速永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)，無須齒輪箱（或半直驅(qū)式，采用一級齒輪箱），也無滑輪，機械故障少，損耗小，運行效率高，維護成本低，但是，由于直驅(qū)式采用系統(tǒng)全功率傳輸，初始成本相對高?！ ∧壳皣鴥?nèi)許多高校，研究所和企業(yè)主要研究、跟蹤，消化吸收雙饋式并網(wǎng)變流器，而我們公司近年來利用多年研究開發(fā)大功率變頻器主電路拓撲和回饋并網(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)勢，專注直驅(qū)式風力發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)的開發(fā)，成功研制出產(chǎn)品，并安裝調(diào)試于內(nèi)蒙古包頭市自治區(qū)項目中，現(xiàn)已成功運行數(shù)月，且無故障記錄
1控制原理
兆瓦級大功率直驅(qū)式并網(wǎng)變流器采用多單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單個單元的主電路拓撲采用交—直—交電壓型結(jié)構(gòu)，如圖1或圖2所示，圖1采用二極管不控整流和Boost升壓穩(wěn)壓電路，圖2采用PWM全控整流電路。
圖1 帶有Boost升壓穩(wěn)壓電路拓撲
采用圖1主電路拓撲，通過Boost升壓穩(wěn)壓環(huán)節(jié)將很好的控制后端逆變器的輸入直流電壓，即不管二極管不控整流的輸出直流電壓變化多大，通過Boost升壓穩(wěn)壓電路后，其直流電壓基本穩(wěn)定，使后端逆變器調(diào)制度范圍好，提高運行效率，減小損耗，同時，Boost電路還可以對永磁同步發(fā)電機輸出側(cè)進行功率因數(shù)校正。
圖2 PWM整流電路拓補
采用圖2主電路拓撲，通過PWM可控整流技術(shù)，可以很好的處理發(fā)電機端的交流電壓不穩(wěn)，諧波較大和直流側(cè)電壓變化大的問題，是最具發(fā)展前途的主電路結(jié)構(gòu)方式。兩種主電路各有各的優(yōu)缺點?？刂粕喜捎秒娏鲀?nèi)環(huán)，電壓外環(huán)雙閉環(huán)矢量控制技術(shù)。各個單元采用載波移相多重化技術(shù)，無需額外增加濾波器，便能使網(wǎng)側(cè)電流總諧波THD小于國標5%的要求。
2 技術(shù)特點
利用多年的研制低壓大功率變頻器的主電路拓撲和能量回饋并網(wǎng)技術(shù)，成功研制出直驅(qū)式風力發(fā)電并網(wǎng)變流器，并已成功用于風力發(fā)電項目中，該產(chǎn)品有如下技術(shù)特點：
（一）控制上采用電壓電流雙閉環(huán)矢量控制，呈現(xiàn)電流源特性，電流環(huán)是直驅(qū)式風力發(fā)電并網(wǎng)變流器控制的核心。
（二）變流器對電網(wǎng)呈現(xiàn)電流源特性，容易做多單元并聯(lián)，易于大功率化組裝，各個單元之間采用多重化載波移相，極大的減小了網(wǎng)側(cè)電流總諧波。
（三）網(wǎng)側(cè)逆變器采用三電平電路拓撲，適應網(wǎng)側(cè)電壓范圍廣，同時也有益于減小網(wǎng)側(cè)電流總諧波。
（四）兆瓦級變流器需多個單元并聯(lián)組合，系統(tǒng)控制會自動分組工作，很容易線性化并網(wǎng)回饋功率，易于整個風電項目系統(tǒng)控制，同時有益于減小電流總諧波
（五）并網(wǎng)變流器采用先進的PWM控制技術(shù)，可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率，減小開關(guān)損耗，提高效率，自動并網(wǎng)功率最大化。
（六）具有動態(tài)響應快，根據(jù)風電整體控制，可以瞬時滿足大范圍功率變化要求，適應性強。
（七）具有溫度，過流，短路，旁路，網(wǎng)側(cè)電壓異常等各種保護功能，具有多種模擬量和數(shù)字量接口，具有CAN總線或RS485串行總線等接口，與風電項目中的其它部分連接方便，控制靈活。
3 實驗波形分析
圖3，圖4分別是網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖，圖3是并網(wǎng)電流為60A時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖；圖4是并網(wǎng)電流為100A時的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖，從兩圖可以看出，網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且與電網(wǎng)電壓反相，呈現(xiàn)負的單位功率因數(shù)，同時也能觀察到隨著電流的增大，網(wǎng)側(cè)電流的總諧波（THD）越來越小，即整體效率也越來越大。
4 小結(jié)
直驅(qū)式風力發(fā)電并網(wǎng)變流器采用交—直—交三電平電壓型主電路拓撲，呈控制電流源特性，容易并聯(lián)，易于大功率化組裝，網(wǎng)側(cè)電流正弦化，可以軟并網(wǎng)，對電網(wǎng)無沖擊，無污染，可以廣泛用于風力發(fā)電等可再生能源項目中。
作者介紹：胡順全，畢業(yè)于山東大學控制科學與工程學院電力電子與電力傳動專業(yè)，現(xiàn)就職于山東新風光電子科技發(fā)展有限公司研發(fā)部工作，從事變頻器、可再生能源回饋裝置等電力電子變換技術(shù)的研發(fā)工作。
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